Материалы, применяемые при газовой сварке

Кислород. Кислородпри газовой сварке применяется для получения горючей смеси. Он способствует интенсивному горению горючих газов и получению высокотемпературного пламени. При горении газов в воздухе температура пламени значительно ниже, чем при горении в кислороде.

Для сварки выпускают технический кислород трех сортов (ГОСТ 5583-78):

Ø 1^й сорт имеет чистоту не ниже 99,7 % по объему,

Ø 2^й сорт– не ниже 99,5 %,

Ø 3^й сорт– не ниже 99,2 %.

Остаток 0.5-0.1% составляет азот и аргон

Следует учесть важное значение чистоты кислорода при сварке и резке металла. Снижение чистоты кислорода на 1% не только ухудшает качество сварного шва, но и требует увеличения расхода кислорода на 1,5%. Кислород при атмосферном давлении и нормальной температуре представляет собой газ без цвета и запаха с плотностью 1,43 кг/м³. Его получают из воздуха методом низкотемпературной ректификации, основанном на разности температур кипения основных составляющих воздуха – азота (минус 195,8 °С) и кислорода (минус 182,96 °С). Воздух переводят в жидкое состояние и затем постепенным повышением температуры испаряют азот (78 %). Оставшийся кислород (21 %) очищают многократным процессом ректификации до требуемой чистоты.

Кислород при атмосферном давлении и обычной температуре газ без цвета и запаха, несколько тяжелее воздуха. При атмосферном давлении и температуре 20 ^о С. масса 1м³ кислород равен 1.33 кг. Сгорание горючих газов и паров горючих жидкостей в чистом виде кислороде происходит очень энергично с большой скоростью, а возникновение в зоне горения возникает высокая температура.

Для получения сварочного пламени с высокой температурой, необходимо для быстрого расплавления металла в месте сварки, горючий газ или пары горючей жидкости сжигают в смеси с чистым кислородом.

При возникновении сжатого газообразного кислорода с маслом или жирами последние могут самовоспламеняться, что может быть причиной пожара. Поэтому при обращении с кислородными баллонами и аппаратурой необходима тщательно следить за тем, чтобы на них не падали даже незначительные следы масла и жиров. Смесь кислорода с горючих жидкостей при определенных соотношениях кислорода и горючего вещества взрывается.

Технический кислород добывают из атмосферного воздуха который подвергают обработке в воздухоразделительных установках, где он очищается от углекислоты и осушается от влаги.

Жидкий кислород хранят и перевозят в специальных сосудах с хорошей теплоизоляцией.

Ацетилен. В качестве горючего газа для газовой сварки получил распространение ацетилен соединение кислорода с водородом. При нормальной Т^o С и давлении ацетилен находится в газообразном состоянии. Ацетилен бесцветный газ. В нем присутствуют примеси сероводорода и аммиак.

Ацетилен получают при взаимодействии карбида кальция с водой по реакции

СаС₂ + 2H₂O = C₂H₂ + Са(ОН)₂.

Ацетилен в газосварочном производстве получил наибольшее распространение благодаря важным для сварки качествам (высокая температура пламени, большая теплота сгорания). Он представляет собой химическое соединение углерода с водородом (С2Н2). Это бесцветный газ с характерным запахом, обусловленным наличием примесей (сероводорода фтористого водорода и др.).

Ацетилен есть взрывоопасный газ. Чистый ацетилен способен взрываться при избыточном давлении свыше 1.5 кгс/см², при быстром нагревании до 450-500С. Смесь ацетилена с воздухом взрываться при атмосферном давлении, если в смеси содержится от 2.2 до 93% ацетилена по объему. Ацетилен для промышленных целей получают разложением жидких горючих действием электродугового разряда, а так же разложением карбида кальция водой.

Газы заменители ацетилена. При сварке металлов можно применять другие газы и пары жидкостей. Для эффективного нагрева и расплавления металла при сварке необходимо чтобы Т^o С пламени была примерно в два раза превышала Т^o С плавления свариваемого металла.

Для сгорания горючих различных газов требуется различное кол-во кислорода подаваемого в горелку. В таб.1 приведены основные характеристики горючих газов для сварки.

Газы заменители ацетилена применяют во многих отраслях промышленности. Поэтому их производство и добыча в больших масштабах и они являются очень дешевыми, в этом их основное преимущество перед ацетиленом.

Вследствие более низкой Т^o С пламени этих газов применение их ограничено некоторыми процессами нагрева и плавления металлов.

При сварке же стали с пропаном или метаном приходится применять сварочную проволоку содержащею повышенное количество кремния и марганца, используемых в качестве раскислителей, а при сварке чугуна и цветных металлов использовать флюсы.

Газы – заменители с низкой теплопроводной способностью неэкономично транспортировать в баллонах. Это ограничивает их применение для газопламенной обработки.

Таблица. 1 Основные характеристики горючих газов

Водород. В нормальных условиях водород представляет собой газ без цвета и запаха. Это взрывоопасный газ, способный проникать через малейшие неплотности в окружающую среду, образуя взрывоопасные смеси с воздухом. Поэтому при работе с водородом необходимо обращать особое внимание на герметичность аппаратуры и газовых коммуникаций.

Температура водородно-кислородного пламени 2000—2100^оС. Его можно применять для получения высокочистых металлов в газовом пламени и для безокислительной пайки сталей.

В смеси с кислородом или воздухом он образует взрывчатую смесь (так называемый гремучий газ), поэтому требует строгого соблюдения правил техники безопасности. Водород хранится и транспортируется в стальных баллонах при максимальном давлении 15 МПа. Получают его электролизом воды или в специальных водородных генераторах путем воздействия серной кислотой на железную стружку или цинк.

Природный газ (метан). Состав природного газа определяется характером газового месторождения. Температура пламени при сгорании газа в смеси с кислородом равна 2100—2200° С.

Природный газ применяется при разделительной и поверхностной кислородной резке стали, сварке стали толщиной до 4—5 мм, сварке легкоплавких металлов и сплавов, пайке н других процессах газопламенной обработки, допускающих использование пламени с более низкой температурой, чем кислородно-ацетиленовое.

Природный газ получают из газовых месторождений. Он состоит в основном из метана (93...99 %).

Пропан технический и пропанобутановая смесь. Эти газы — побочные продукты при переработке нефти. По ГОСТ 10196—62 пропан техническим состоит главным образом из пропана или из пропана и пропилена количество которых в сумме должно быть не менее 93 %. Кроме того, в нем содержится в сумме не более 4%этана, этиленаи не более 3%бутана и бутилена.

Температура пламени пропана и пропанобутановой смеси при сгорании в смеси с кислородом равна 2400—25000 С и при дополнительном подогреве смеси в мундштуке может достигать 2700оС. При повышении давления или при понижении температуры пропан, бутан и их смеси переходят в жидкое состояние, их называют тогда сжиженными газами. При температуре 20° С и давлении 760 мм рт. ст. они находятся в газообразном состоянии.

Пропан-бутановую смесьполучают при добыче и переработке естественных нефтяных газов и нефти. Хранят и транспортируют в сжиженном состоянии в баллонах вместимостью 40 и 55 л под давлением 1,6... 1,7 МПа. Жидкой смесью заполняют только половину баллона, так как при нагреве значительное повышение давления может привести к взрыву баллона.

Сжиженные газы широко применяются в качестве заменителей ацетилена. Пропан, бутан и их смеси можно использовать при сварке стали толщиной до 6 мм, кислородной и кислородно-флюсовой резке (разделительной и поверхностной) сталей, наплавки и других подобных процессах.

При использовании технического пропана отбор его из газовой фазы баллона можно производить при температурах окружающей среды до минус 250 С. При пропанобутановой смеси это можно делать при окружающей температуре не ниже - +80 ^оС. При более низких температурах применяют общий подогрев баллонов до 10—200^о С.

При разделительной резке, сварке цветных металлов, пламенной закалке и папке для замены 1 т карбида кальция (что эквивалентно примерно 235 м³ ацетилена) требуется 0,3 т сжиженного газа. При поверхностной кислородной резке, сварке черных металлов, металлизации и других процессах 1 т карбида кальция заменяется 0,5 т сжиженного газа.

Пиролизный газ– смесь газообразных продуктов термического разложения нефти, нефтепродуктов или мазута. Содержит вредные сернистые соединения, вызывающие коррозию мундштуков горелок и резаков, поэтому требует тщательной очистки.

Нефтяной газ– смесь горючих газов, являющихся побочным продуктом нефтеперерабатывающих заводов. Его применяют для сварки, резки и пайки сталей толщиной до 3 мм и сварки цветных металлов.

Коксовый и сланцевый газы. Коксовый газ получают в процессе коксования каменного угля. Сланцевый газ получают при газификации горючих сланцев.

Коксовый и сланцевый газы к постам газопламенной обработки подают по трубопроводу. Их используют при сварке легкоплавких металлов, пайке, разделительной и поверхностной кислородной и кислородно-флюсовой резке и других процессах, для которых достаточна температура пламени 2000⁰ С.

Городской газ. Плотность городского газа 0,84—1,05 кг/м³, температура газокислородного пламени 2000⁰ С. Области применения те же, что и для коксового.

Керосин и бензин.Температура газокислородного пламени керосин2400–2450^о Сбензин2500–2600 ⁰ С.

Керосин более безопасен в работе. Применяется только осветительный керосин по ГОСТ 4753—68. Перед заливкой в бачок керосин рекомендуется профильтровать через слой войлока и кускового едкого натра . Керосин используют при резке стали, бензин — при резке под водой. Применение этилированного бензина запрещается.

Бензин и керосин используют при газопламенной обработке в виде паров. Для этой цели горелки и резаки имеют специальные испарители, которые нагреваются от вспомогательного пламени или электрическим током. Сварочное пламя образуется при сгорании выходящей из мундштука горелки смеси горючего газа (или паров горючей жидкости) с кислородом. Свойства сварочного пламени зависят от того, какое горючее подается в горелку и при каком соотношении кислорода и горючего создается газовая смесь. Изменяя количество подаваемого в горелку кислорода и горючего газа, можно получить нормальное, окислительное или науглероживающее сварочное пламя. Нормальное (или восстановительное) пламя теоретически должно получаться при объемном отношении количества кислорода к ацетилену (β = 1). Практически вследствие загрязненности кислорода нормальное пламя получается при несколько большем количестве кислорода, т.е. при β= 1,1...1,3. Нормальное пламя способствует раскислению металла сварочной ванны и получению качественного сварного шва. Поэтому большинство металлов и сплавов сваривают нормальным пламенем.

Карбид кальция. Карбид кальция представляет собой твердое вещество темно-серого или коричневого цвета. Он получается в электрических печах путем отекания кокса с негашеной известью при температуре 1900—2300°С. Полученный карбид кальция дробят и сортируют на куски определенных размеров, после чего упаковывают в жестяные герметически закрытые барабаны емкостью 100— 130 кг.

Карбид кальция (ГОСТ 1460-81) получают путем сплавления в электропечах кокса и обожженной извести

СаО + 3С = СаС₂ + СО.

Карбид кальция очень активно вступает в реакцию с водой, реагируя даже с парами воды, насыщающими воздух. Поэтому его хранят и транспортируют в герметически закрытых стальных барабанах, содержащих 50...130 кг карбида.

Из 1 кг карбида кальция в зависимости от сорта и грануляции получают 235...280 л ацетилена. Следует иметь в виду, что мелкий и пылеобразный карбид кальция применять запрещается (взрывоопасно). Для взаимодействия 1 кг карбида кальция теоретически необходимо 0,56 л воды, практически берут 7...20 л воды. Это обеспечивает хорошее охлаждение ацетилена и более безопасную работу газогенератора.

Водород, природный газ, пары бензина и керосинане пригодны для обычной сварка стали вследствие недостаточной температуры сварочного пламени (1900— 2300°С), Поэтому их применяют при сварке металлов, имеющих температуру плавления ниже, чем у стали, я для резки металлов (в том числе и стали). Газ пропан можно применять для сварки стали толщиной 5—6 мм.

Сварочные проволоки и флюсы.В большинстве случаев при газовой сварке применяют присадочную проволоку близкую по своему хим. составу к свариваемому металлу.

Нельзя применят для сварки случайную проволоку неизвестной марки.

Поверхность проволоки должна быть гладкой и чистой без следов окалины, ржавчины, масла, краски и прочих загрязнений. Температура плавления проволоки должна быть равна или несколько ниже плавления металла.

Проволока должна плавится спокойно и равномерно, без сильного разбрызгивания и вскипания, образуя при застывании плотный однородный металл без посторонних включений и прочих дефектов.

Для газовой сварки цветных металлов (меди, латуни, свинца), а так же нержавеющей стали в тех случаях, когда нет подходящей проволоки, применяют в виде исключения полоски нарезанный из листов той же марки, что и сваривает металл.

Флюсы. Медь, алюминий, магний и их сплавы при нагревании в процессе сварки энергично вступают в реакцию с кислородом воздуха или сварочного пламени (при сварке окислительным пламенем), образуя окислы, которые имеют более высокую Т^o плавления, чем металл. Окислы покрывают капли расплавленного металла тонкой пленкой и этим сильно затрудняют плавление частиц металла при сварке.

Для защиты расплавленного металла от окисления и удаления образующихся окислов применяют сварочные порошки или пасты, называемые флюсами. Флюсы, предварительно нанесенные на присадочную проволоку или пруток и кромки свариваемого металла, при нагревании расплавляются и образуют легкоплавкие шлаки, всплывающие на поверхность жидкого металла. Пленка шлаков прокрывает поверхность расплавленного металла, защищая его от окисления.

Состав флюсов выбирают в зависимости от вида и свойств свариваемого металла.

В качестве флюсов применяют прокаленную буру, борную кислоту. Применение флюсов необходимо при сварке чугуна и некоторых специальных легированных сталей, меди и ее сплавов. При сварке углеродистых сталей не применяют.